UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA DE
MATERIALES
“CATEGORÍAS DE CORROSIVIDAD DE LA CIUDAD DE TRUJILLO-PERÚ 2015/2016, PARA EL ALUMINIO Y COBRE ELECTROLÍTICO”
TESIS
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:
INGENIERO DE MATERIALES
AUTORES : HUALCAS FALEN, Maria Fernanda
PEREZ CONTRERAS, Claudia Elizabeth
ASESOR : Dr. Ing. CÁRDENAS ALAYO, Ranulfo Donato
CO-ASESOR : Ms.Ing. OTINIANO MÉNDEZ, Santos Dionicio
TRUJILLO – PERÚ
JURADO DICTAMINADOR
--- Dr. Ing. ALVARADO QUINTANA, Hernán Martín
PRESIDENTE
--- Ms. Ing. OTINIANO MENDEZ, Santos Dionicio
SECRETARIO
--- Dr. Ing. CÁRDENAS ALAYO, Ranulfo Donato
DEDICATORIA
A DIOS
Por todas las bendiciones que me ha brindado en la vida, por la familia que me ha dado, que en todo momento me ha apoyado en mi formación académica y profesional.
A MIS PADRES
Nemesio y Justa, quienes son todo para mí, a ellos, por incentivarme siempre en mi superación, por su inmenso amor, su constante apoyo en todos los ámbitos y por su confianza, gracias a ellos se me ve cumplida otra de mis metas.
A MI ABUELITA
HERMANOS Y
SOBRINA
Elvis, Fanny, José Luís, mi sobrina Camila, y mi abuelita Josefa espejo Laiza; familiares y personas que han estado conmigo en todo momento, por su preocupación y su apoyo constante en mi desarrollo personal y en mi formación profesional.
A MI ABUELITO ISABEL
CONTRERAS ARAUJO
Por sus enseñanzas, todo lo maravilloso que me brindo, y que ahora está en el cielo guiando y cuidando de mis pasos.
A DIOS
Por haberme dado fuerzas en todo momento y por haber guiado mí camino con la luz de su Fortaleza, su Bondad y su Amor.
A MIS PADRES
Augusto y Rosa, por haberme brindado su gran apoyo en todo momento, por sus consejos, sus valores, por la confianza que siempre me brindaron, por la motivación constante que me ha permitido ser una persona de bien, pero más que nada, por su inmenso amor.
A MIS HERMANOS
Diana, Martha y Miguel, por su inmenso cariño, apoyarme en los momentos difíciles y darme ánimos para alcanzar esta meta tan importante en mi vida.
A TODA MI FAMILIA
A mis abuelos, tíos, primos, porque durante mi crecimiento, mis caídas y mis logros estuvieron a mi lado. Por sus consejos, su apoyo y su amor.
Los amo.
AGRADECIMIENTO
A la Universidad Nacional de Trujillo, por habernos entregado una formación académica integral gracias a nuestra distinguida plana docente, permitiéndonos así culminar con una etapa más en nuestro desarrollo profesional.
Al Laboratorio de Corrosión y Degradación del Departamento de Ingeniería de Materiales, por todas las facilidades brindadas para el desarrollo y ejecución del presente trabajo de investigación.
Un profundo agradecimiento al Ing. Donato Cárdenas Alayo, por toda su confianza depositada en nosotros y por darnos la oportunidad de enrumbar este proyecto. A la misma vez por sus consejos, que han sido de guía en el ámbito profesional y personal.
Le agradecemos también el habernos facilitado siempre los medios suficientes para llevar a cabo todas las actividades propuestas durante el desarrollo de esta tesis a nuestro co- asesor el Ing. Santos Dionicio Otiniano Méndez.
Nuestra más sincera gratitud a todas aquellas personas y amigos que nos alentaron y apoyaron incondicionalmente durante la ejecución del proyecto.
INDICE
DEDICATORIA……….……….………i
AGRADECIMIENTO……….………..iii
ÍNDICE……….………...…….iv
LISTADO DE FIGURAS………vii
LISTADO DE TABLAS……….xiii
RESUMEN...…...xvi
ABSTRACT………...xvii
I. INTRODUCCIÓN……….1
1.1 REALIDAD PROBLEMÁTICA………..………...1
1.2 ANTECEDENTES EMPÍRICOS………3
1.3 ANTECEDENTES TEÓRICOS………..6
1.3.1 CORROSIÓN ATMOSFÉRICA……...……….………..6
1.3.2 TIPOS DE CORROSIÓN ATMOSFÉRICA………...8
1.3.3 TIPOS DE ATMÓSFERAS CORROSIVAS………...8
1.3.4 MECANISMO DE LA CORROSIÓN ATMOSFÉRICA Y PRINCIPALES VARIABLES:………... ………...10
1.3.5 VARIABLES PRÁCTICAS IMPORTANTES EN LA CORROSIÓN ATMOSFÉRICA………...11
1.3.6 AGENTES DE POLUCIÓN ATMOSFÉRICA MÁS INFLUYENTES EN LA CORROSIÓN DE LOS METALES………...13
1.3.7 CORROSIÓN ATMOSFÉRICA DEL COBRE………14
1.3.8 CORROSIÓN ATMOSFÉRICA DEL ALUMINIO………..16
1.3.10 CATEGORÍAS DE CORROSIVIDAD ATMOSFÉRICA………25
1.4 PROBLEMA………...………...27
1.5 HIPÓTESIS………...27
1.6 OBJETIVOS……….27
1.6.1 Objetivo general:………...27
1.6.2 Objetivos específicos:………. .28
1.7 IMPORTANCIA………..…28
II. MATERIALES Y MÉTODOS………..29
2.1 OBJETO DE ESTUDIO………29
2.1.1 Universo objetivo:……….29
2.1.2 Universo muestral:………29
2.1.3 Muestra:……….29
2.1.4 VARIABLES………..30
2.1.5 MEDIOS……….30
2.2 MÉTODOS Y TÉCNICAS……….. 33
2.2.1 Diseño de Investigación:………33
2.2.2 Instrumentos: ……….33
2.2.3 Procedimiento Experimental………..34
III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN………40
3.1. VELOCIDADES DE CORROSION DEL COBRE EN LA CIUDAD DE TRUJILLO...40
3.2. VELOCIDADES DE CORROSION DEL ALUMINIO EN LA CIUDAD DE TRUJILLO.………...………45
IV. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES………56
4.1 CONCLUSIONES……….56
4.2 RECOMENDACIONES………58
V. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS……….59
APÉNDICE……….…………62
APÉNDICE I. Resultados obtenidos de la Velocidad de Corrosión Atmosférica del Cobre en las tres estaciones de la Ciudad de Trujillo……….63
APÉNDICE II. Resultados obtenidos de la Velocidad de Corrosión Atmosférica del Aluminio en las tres estaciones de la Ciudad de Trujillo………66
APÉNDICE III. Procesamiento matemático de datos………...69
APÉNDICE IV. Obtención de pérdida de masa y masas finales del tercer retiro de probetas de cobre electrolítico.……… ………..73
APÉNDICE V. Obtención de pérdida de masa y masas finales del tercer retiro de probetas de Aluminio……….…80
ANEXOS……….87
ANEXO I.Normas empleadas en la metodología de investigación……….………88
ANEXO II. Registro Fotográfico de la Preparación de las Probetas ………….……...……120
ANEXO III. Registro Fotográfico de la Preparación de Bastidores…….…….………...123
ANEXO IV. Registro fotográfico de las instalaciones de ensayo……...……..………...…126
ANEXO V. Registro fotográfico de los alrededores de las estaciones de ensayo...……….128
ANEXO VI.Registro fotográfico del retiro de muestras de cobre y aluminio electrolítico……….131
LISTADO DE FIGURAS
Fig. 1.1 Contaminantes atmosféricos más importantes en las atmosferas urbanas e industriales…7
Fig. 1.2 Diagrama potencial pH para el aluminio en agua a 25°C. [Al]=0.1 M. ... 17
Fig. 1.3 Película de óxido natural sobre el aluminio ... 19
Fig. 1.4 Corrosión del aluminio por picaduras ... 22
Fig. 1.5 Diagrama esquemático del problema de investigación. ... 27
Fig. 2.1 Diagrama de Bloques del Procedimiento Experimental. ... 34
Fig. 3.1 Velocidad de corrosión del Cu electrolítico en forma de placa en función del tiempo de exposición. ... 40
Fig. 3.2 Velocidad de corrosión del Cu electrolítico en forma de espiral en función del tiempo de exposición. ... 43
Fig. 3.3 Velocidad de corrosión del Al electrolítico en forma de placa en función del tiempo de exposición. ... 45
Fig. 3.4. Velocidad de corrosión del Al electrolítico en forma de espiral en función del tiempo de exposición. ... 47
FIG. 3.5 MAPA DE CORROSIVIDAD PARA EL COBRE (placa/espiral) ... 50
FIG.3.6 MAPA DE CORROSIVIDAD PARA EL ALUMINIO (placa/espiral).………... 53
Fig. A.IV.1 Perdida de masa en funcion al numero de ciclos de limpieza según norma ISO 8407. Cobre plano 07 (CP – 07) ………...………...………...…...74
Fig. A.IV.2 Perdida de masa en funcion al numero de ciclos de limpieza según norma ISO 8407. Cobre plano 08 (CP – 08). ………...………...………...………..75
Fig. A.IV.5 Pérdida de masa en función al número de ciclos de limpieza según norma
ISO 8407. Cobre espiral 08 (CE – 08))………..………...78
Fig. A.IV.6 Pérdida de masa en función al número de ciclos de limpieza según norma ISO 8407. Cobre espiral 09 (CE – 09)………..………..………...79
Fig. A.V.1 Pérdida de masa en función al número de ciclos de limpieza según norma ISO 8407. Aluminio plano 07 (AP – 07)………..………..………...81
Fig. A.V.2 Pérdida de masa en función al número de ciclos de limpieza según norma ISO 8407. Aluminio plano 08 (AP – 08)……..………..………...82
Fig. A.V.3 Pérdida de masa en función al número de ciclos de limpieza según norma ISO 8407. Aluminio plano 09 (AP – 09)…..………..………...83
Fig. A.V.4 Pérdida de masa en función al número de ciclos de limpieza según norma ISO 8407. Aluminio espiral 07 (AE – 07)…..………...….. …...84
Fig. A.V.5 Pérdida de masa en función al número de ciclos de limpieza según norma ISO 8407. Aluminio espiral 08 (AE – 08)…..………...……...85
Fig. A.V.6 Pérdida de masa en función al número de ciclos de limpieza según norma ISO 8407. Aluminio espiral 09 (AE – 09)……...………...……...86
Figura A.I.1 Pérdida de masa respecto al número de limpieza en la remoción de productos de corrosión (Norma ISO 8407). ………..92
Fig. A.I.2 CLASIFICACION DE LAS CATEGORIAS DE CORROSIVIDAD………….…....95
Fig. A.II.1 Fabricación de espirales de Al……….121
Fig. A.II.2 Probeta de cobre en forma de espiral………..121
Fig. A.II.3 Lijado de probetas………....122
Fig. A.II.4 Limpieza de probetas de cobre………....122
Fig. A.III.1 Habilitación y lijado de los bastidores.………124
Fig. A.III.2 Pintado de los bastidores………...124
Fig. A.III.3 Ensamblaje de placas y espirales.………..……….……125
Fig. A.IV.1 Estación de ensayo ubicada en el cuarto piso del pabellón de Ingeniería de Materiales.
EE – TRU – 01 (Av. Juan Pablo S/N / Ciudad universitaria)...………....127
Fig. A.IV.2 Estación de ensayo ubicada en Jirón Salaverry N° 440 – URB San Nicolás – Trujillo EE – TRU – 02………...127
Fig. A.IV.3 Estación de ensayo ubicada en Dean Saavedra Mz – A lt 2 – San Isidro II etapa – Trujillo. EE – TRU – 03……….…...127
Fig. A.V.1 Vista de los alrededores de la EE – TRU – 01…..………...………….……..129
Fig. A.V.2 Vista de los alrededores de la EE – TRU – 02………..……..129
Fig. A.V.3 Vista de los alrededores de la EE – TRU – 03……….………....……...130
Fig. A.VI.1 Retiro del primer juego de probetas de cobre electrolítico en EE – TRU – 01 (UNT) expuestos a la atmosfera por 4 meses. Se observa a)en forma de placa y; b) en espiral...132
Fig. A.VI.2 Retiro del primer juego de probetas de aluminio electrolítico en EE – TRU – 01 (UNT) expuestos a la atmosfera por 4 meses. Se observa a) en forma de placa y; b) en espiral………...………...………….……….132
Fig. A.VI.3 Retiro del segundo juego de probetas de cobre electrolítico en EE – TRU – 02 (SAN NICOLAS) expuestos a la atmosfera por 8 meses. Se observa a) en forma de placa y; b) en espiral……...………...………...………...……….…..133
Fig. A.VI.4 Retiro del segundo juego de probetas de aluminio electrolítico en EE – TRU – 02 (SAN NICOLAS) expuestos a la atmosfera por 8 meses. Se observa a) en forma de placa y; b) en espiral………...………...………...………..133
Fig. A.VI.5 Retiro del tercer juego de probetas de cobre electrolítico en EE – TRU – 03 (SAN ISIDRO) expuestos a la atmosfera por 1 año. Se observa a) en forma de placa y; b) en espiral………...………134
Fig. A.VI.6 Retiro del tercer juego de probetas de aluminio electrolítico en EE – TRU – 03 (SAN ISIDRO) expuestos a la atmosfera por 1 año. Se observa a) en forma de placa y; b) en espiral……….…..134
Fig. A.VII.1 Probetas de Cobre electrolítico expuestos a la atmosfera de la ciudad de Trujillo; a) en forma de placa y b) en forma de espiral…...………...………...…………..136
Fig. A.VII.3 Reactivos químicos utilizados para la preparación de la solución sulfúrica (700 ml de agua destilada, 54 ml de ácido sulfúrico concentrado y agua destilada)...…..…….137 Fig. A.VII.4 Probeta de Cobre electrolítico, sumergida en agua con detergente………...……...137 Fig. A.VII.5 Probeta de Cobre electrolítico, sumergida en agua de caño………..……...137 Fig. A.VII.6 Probeta de Cobre electrolítico, sumergida en solución sulfúrica…………..……...138 Fig. A.VII.7 Probeta de Cobre electrolítico, sumergida en dos veces en agua de caño para
enjuague………...………...………...…….138 Fig. A.VII.8 Probeta de Cobre electrolítico, sumergida en agua destilada para enjuague…...….139 Fig. A.VII.9 Secado de probeta de Cobre electrolítico………...139 Fig. A.VII.10 Pesado de probeta de Cobre electrolítico………...139 Fig. A.VII.11 Toma fotográfica de la probeta de Cobre electrolítico en forma de placa……….140 Fig. A.VII.12 Visualización en el microscopio de la probeta de Cobre electrolítico en forma de placa………...………...………...………...140 Fig. A.VII.13 Superficie de una de las probetas de cobre electrolítico en forma de placa, después de la 1era remoción química (20X)………...………...………...140 Fig. A.VII.14 Superficie de una de las probetas de cobre electrolítico en forma de placa, después de la 2da remoción química (20X) ………...………...………...141
Fig. A.VII.15 Superficie de una de las probetas de cobre electrolítico en forma de placa, después de la 3era remoción química (20X) ………...………...………..…...141 Fig. A.VII.16 Superficie de una de las probetas de cobre electrolítico en forma de placa, después de la 4ta remoción química (20X) ………...………...……….…...141 Fig. A.VII.17 Superficie de una de las probetas de cobre electrolítico en forma de placa, después de la 5ta y ultima química (20X) …...………...………..…………..……....142 Fig. A.VII.18 Superficie de una de las probetas de cobre electrolítico en forma de espiral, después de la 1era remoción química (20X) …...………...………..……..…….142 Fig. A.VII.19 Superficie de una de las probetas de cobre electrolítico en forma de espiral, después de la 2da remoción química (20X) …...………...………..……...…….142
Fig. A.VII.21 Superficie de una de las probetas de cobre electrolítico en forma de espiral,
después de la 4ta remoción química (20X)...………...………..……...……….143
Fig. A.VII.22 Superficie de una de las probetas de cobre electrolítico en forma de espiral, después de 5ta la última remoción química (20X) .………...………..……...…...……..143
Fig. A.VII.23 Probetas de aluminio expuestos a la atmosfera de la ciudad de Trujillo; a) en forma de placa y b) en forma de espiral...………...……...……...………...144
Fig. A.VII.24 Probetas de aluminio expuestos a la atmosfera de Trujillo, observadas microscópicamente antes de la remoción química; a) en forma de placa y b) en forma de espiral..………...………..……...………..…..144
Fig. A.VII.25 Reactivos químicos utilizados para la preparación de la solución sulfocrómica (50 ml de H3PO4/L de solución, 20g de CrO3/ L de Solución y agua destilada)…………....…..145
Fig. A.VII.26 Preparación del circuito de limpieza para el Aluminio …………...………145
Fig. A.VII.27 Probeta de Aluminio, sumergida en agua con detergente………146
Fig. A.VII.28 Probeta de Aluminio, sumergida en agua de caño………...146
Fig. A.VII.29 Probeta de Aluminio, sumergida en solución sulfocromica……….……...147
Fig. A.VII.30 Probeta de Aluminio, sumergida en dos veces en agua de caño para enjuague...………...………..……...………..147
Fig. A.VII.31 Probeta de Aluminio, sumergida en agua destilada para enjuague………148
Fig. A.VII.32 Secado de probeta de Aluminio ……….148
Fig. A.VII.33 Pesado de probeta de Aluminio …………...………..149
Fig. A.VII.34 Toma fotográfica de la probeta de Aluminio …………...………..149
Fig. A.VII.35 Visualización en el microscopio de la probeta de Aluminio …………...………..149
Fig. A.VII.36 Superficie de una de las probetas de Aluminio en forma de placa, después de la 1era remoción química (20X)………...……….….150
Fig. A.VII.37 Superficie de una de las probetas de Aluminio en forma de placa, después de la 2da remoción química (20X)……….150
Fig. A.VII.39 Superficie de una de las probetas de Aluminio en forma de placa, después de la
4ta remoción química (20X)...………..……….151
Fig. A.VII.40 Superficie de una de las probetas de Aluminio en forma de placa, después de la
5ta remoción química (20X)...………..……….151
Fig. A.VII.41 Superficie de una de las probetas de Aluminio en forma de placa, después de la
6ta remoción química (20X)...………..……….151
Fig. A.VII.42 Superficie de una de las probetas de Aluminio en forma de placa, después 7ma y última remoción química (20X) ..………..…...152 Fig. A.VII.43 Superficie de una de las probetas de Aluminio en forma de espiral, después de
la 1era remoción química (20X) ..………..152
Fig. A.VII.44 Superficie de una de las probetas de Aluminio en forma de espiral, después de
la 2da remoción química (20X) ………...………..152
Fig. A.VII.45 Superficie de una de las probetas de Aluminio en forma de espiral, después de
la 3ra remoción química (20X) .………..………..153
Fig. A.VII.46 Superficie de una de las probetas de Aluminio en forma de espiral, después de la 4ta remoción química (20X) .………...153
LISTADO DE TABLAS
Tabla N° 1.1. Velocidades de corrosión aproximadas para el Fe, Zn, Al y Cu…………...…….9 Tabla N° 1.2. Rangos de velocidades de corrosión para probetas de Fe, Zn, Al y Cu y
categorías de corrosividad atmosférica………..……….…...26 Tabla N° 1.3. Rangos de velocidades de corrosión para probetas de Fe, Zn, Al y Cu y
categorías de corrosividad atmosférica………..……….…...26
Tabla N° 2.1. Dimensiones y densidad de las probetas planas y espirales expuestas en la ciudad de Trujillo………..……….…...29 Tabla N° 2.2. Estaciones de monitoreo en la ciudad de Trujillo………....30 Tabla N° 2.3. Materiales usados para la remoción de productos de corrosión………...31 Tabla N° 2.4. Herramientas y Equipos usados para la remoción de productos de corrosión…….32 Tabla N° 2.5. Reactivos usados en la preparación de soluciones de limpieza de productos de corrosión……….……….……….………...33
Tabla N° 2.6: Ubicación de las estaciones de ensayo de estudio……….…………...35 Tabla N° 3.1. Velocidades de corrosión atmosférica del Cobre electrolítico en forma de placa en (µm/año) expuesto en la atmosfera de la ciudad de Trujillo – Perú 2015/2016…..…...40 Tabla N° 3.2. Velocidades de corrosión atmosférica del Cobre electrolítico en forma de espiral (µm/año) expuesto en la atmosfera de la ciudad de Trujillo – Perú 2015/2016………...42 Tabla N° 3.3. Velocidades de corrosión atmosférica del Aluminio en forma de placa (g/m2. año) expuesto en la atmosfera de la ciudad de Trujillo – Perú 2015/2016..…………...45
Tabla N° 3.4. Velocidades de corrosión atmosférica del Al en forma de espiral (g/m2. año)
expuesto en la atmosfera de Trujillo – Perú 2015/2016……….………...……….…...47 Tabla N° 3.5. Categoría de corrosividad para el Cobre electrolítico………...49
Tabla N° A.I.2. Resultados de velocidades de corrosión del cobre en forma de espiral de las tres estaciones expuestas a la atmosfera de la Ciudad de Trujillo durante 1 año….………...65 Tabla N° A.II.1. Resultados de velocidades de corrosión del aluminio en forma de placa en las tres estaciones expuestas a la atmosfera de la Ciudad de Trujillo durante 1 año...……..…...67 Tabla N° A.II.2. Resultados de velocidades de corrosión del aluminio en forma de espiral de las tres estaciones expuestas a la atmosfera de la Ciudad de Trujillo durante 1 año………...68 Tabla N° A.IV.1. Datos obtenidos después de cada remoción química para EE –TRU – 01…...74 Tabla N° A.IV.2. Datos obtenidos después de cada remoción química para EE –TRU – 01…….75 Tabla N° A.IV.3. Datos obtenidos después de cada remoción química para EE –TRU – 01…...76 Tabla N° A.IV.4. Datos obtenidos después de cada remoción química para EE –TRU – 01…...77 Tabla N° A.IV.5. Datos obtenidos después de cada remoción química para EE –TRU – 01…….78 Tabla N° A.IV.6. Datos obtenidos después de cada remoción química para EE –TRU – 01…….79 Tabla N° A.V.1. Datos obtenidos después de cada remoción química para EE –TRU – 01……..81 Tabla N° A.V.2. Datos obtenidos después de cada remoción química para EE –TRU – 01……..82 Tabla N° A.V.3. Datos obtenidos después de cada remoción química para EE –TRU – 01……..83 Tabla N° A.V.4. Datos obtenidos después de cada remoción química para EE –TRU – 01……..84 Tabla N° A.V.5. Datos obtenidos después de cada remoción química para EE –TRU – 01……..85 Tabla N° A.V.6. Datos obtenidos después de cada remoción química para EE –TRU – 01……..86 Tabla N° A.I.1. Categorías de Corrosividad de una atmosfera………...99 Tabla N° A.I.2. Velocidad de corrosión (rcorr) para el primer año de exposición, para las
diferentes categorías de corrosividad...………..……….…...100 Tabla N° A.I.3. Parámetros usados en las funciones dosis respuesta incluyendo símbolo,
descripción, intervalo, medido en el programa de investigación y unidades de medida. Todos los parámetros están expresados promedios animales………..……...103 Tabla N° A.I.4. Niveles estimados de incertidumbre para los cálculos de categorías de
Tabla N° A.I.5. Polución por Azufre representado por el Dióxido de Azufre………108 Tabla N° A.II.6.Tiempo de humectación en diferentes condiciones de exposición………109 Tabla N° A.I.7. Concentración al aire libre de algunos de los más importantes polulantes en diferentes lugares...………..……….…...110
Tabla A.I.8. Polución por salinidad marina representada por cloruros………...111 Tabla N° A.I.9. Descripción de típicos medios atmosféricos relacionados a la estimación de categorías de corrosividad...………..……….…...112
Tabla N° A.I.10 Procedimiento de Limpieza química para remoción de productos de
RESUMEN
En este trabajo de investigación se determinó la categoría de corrosividad de la atmosfera de la ciudad de Trujillo sobre el cobre y el aluminio en el periodo 2015/2016. Asimismo se hizo un seguimiento de las velocidades de corrosión de esos metales en periodos cuatrimestrales.
Para tal efecto y usando las normas ISO 9223, ISO 9226, ISO 8407 y complementarias; se procedió a seleccionar 03 lugares para instalar igual número de bastidores conteniendo muestras metálicas planas y en espiral de cobre y aluminio; esos lugares elegidos fueron el campus de la ciudad universitaria de la UNT (3.85 km de distancia al mar), el techo de una vivienda de la urbanización San Nicolás (5.09 km de distancia al mar) y el techo de una vivienda de la urbanización San Isidro (4.75 km de distancia al mar).
De los resultados obtenidos se concluye que las velocidades de corrosión para el cobre en forma placa es 2.8 a 4.1 μm/año, para el cobre en forma de espiral es de 8.8 a 11.1 μm/año, para el aluminio en forma de placa 9.9 a 20.5 gr/m2.año y para el aluminio en forma de espiral 7.8 a 11.2 gr/m2.año. Se observa que las velocidades de corrosión de ambos metales, disminuyen casi linealmente en los periodos evaluados.
De dichos resultados finales se concluye que la ciudad de Trujillo, tiene una categoría de corrosividad de C4 a CX para el cobre (alta/extrema corrosividad) y de C5 a CX para el
aluminio (muy alta /extrema corrosividad).
ABSTRACT
In this research the category of corrosivity of the atmosphere of the city of Trujillo on copper and aluminum in the period 2015/2016 was determined. The corrosion rates of these metals were also monitored in quarterly periods.
For this purpose and using the standards ISO 9223, ISO 9226, ISO 8407 and complementary; We selected 03 sites to install an equal number of frames containing flat and spiral copper and aluminum samples; These chosen places were the campus of the university city of the UNT (3.85 km distance to the sea), the roof of a housing of the urbanization San Nicolás (5.09 km of distance to the sea) and the roof of a housing of the urbanization San Isidro (4.75 km away to the sea).
From the results obtained it is concluded that the corrosion rates for copper in the form of plates 2.8 to 4.1 μm / year, for copper in the form of a spiral is of 8.8 to 11.1 μm / year, for the aluminum in the form of plate 9.9 a 20.5 gr / m2.year and for aluminum in spiral form 7.8
to 11.2 gr / m2.year. It is observed that the corrosion rates of both metals decrease almost linearly in the evaluated periods.
From these final results it is concluded that the city of Trujillo has a category of corrosiveness from C4 to CX for copper (high / extreme corrosivity) and from C5 to CX for
aluminum (very high / extreme corrosivity).
I. INTRODUCCIÓN 1.1 REALIDAD PROBLEMÁTICA
La corrosión atmosférica es, dentro de los diversos tipos de corrosión, la causante de las mayores pérdidas económicas que este fenómeno genera, si se tiene en cuenta que la mayor parte de equipos y estructuras metálicas están expuestas a la acción directa de la atmósfera. (Morcillo, 1999)
Se entiende por corrosión atmosférica el deterioro que sufren los materiales metálicos cuando se encuentran en contacto con el aire a temperatura ambiente. Debido a la gran cantidad de metal expuesto a la atmósfera, se estima que alrededor del 50% de las pérdidas económicas totales por corrosión se producen como consecuencia de fenómenos de corrosión atmosférica. (Otero, 1997) Según las estadísticas los daños ocasionados por la corrosión a nivel mundial, representa del 3 y 5 % del Producto Bruto Interno (PBI) de cada país. Solamente en los Estados Unidos de Norteamérica, los daños le cuestan alrededor de 300 billones de dólares anuales, que representa el 4% de su Producto Bruto Interno aproximadamente. Por el ello el 40 % aproximadamente, se utiliza para reemplazar materiales dañados por corrosión. (Otero, 1997).
La alta agresividad de la atmósfera en Trujillo se refleja en diversas esferas del sector productivo, y una de las más afectadas es el sector eléctrico. Se han realizado varios esfuerzos en el país con el objetivo de caracterizar el problema de la corrosión en este sector, siendo una de las temáticas de mayor interés la relacionada con la corrosión en las líneas de transmisión y distribución de energía eléctrica, así como su estructura electromecánica que se encuentra expuesta al efecto agresivo de la atmosfera; dada la importancia que poseen desde el punto de vista de confiabilidad para el servicio que se oferta a los diferentes sectores productivos y a la población en general. Las pérdidas económicas debido a la corrosión atmosférica se han convertido en un problema significativo para la empresa de distribución y comercialización de energía eléctrica en la costa norte del Perú, por tal motivo buscan modular sus costos operativos con la posibilidad de incrementar las tarifas eléctricas tanto para el sector residencial como para el sector industrial. Uno de los factores que determina primariamente la intensidad del fenómeno corrosivo en la atmósfera es su composición química; siendo los principales agentes más corrosivos el dióxido de azufre (SO2), proveniente del empleo de combustibles sólidos y líquidos que contienen azufre; y
La calidad del aire también es de importancia fundamental en la corrosión atmosférica, es por ello que se tiene que tener en cuenta si en las zonas aledañas a las estaciones de ensayo existen industrias, parque automotor circulante, carreteras o pistas asfaltadas, edificios, etc. que afecte la calidad del aire del ambiente. Los contaminantes seleccionados como indicadores prioritarios de la calidad del aire son: anhídrido sulfuroso, partículas en suspensión, óxidos de nitrógeno, ozono, plomo, monóxido de carbono, etc. La gravedad de los efectos de estos contaminantes depende de la concentración y del tiempo de exposición. (Proyecto de investigación, 2011)
1.2ANTECEDENTES EMPÍRICOS
En un estudio realizado se midió la categoría de corrosividad del Cu en la ciudad de Trujillo en los años de 1998-2004 determinando la categoría de corrosividad de C5 (Muy alta corrosividad) y CX (extremadamente alta corrosividad) en la mayoría de los casos, debido a la alta producción por cloruros y dióxido de azufre. (Aguilar y Cárdenas, 1998)
En otro estudio realizado se publicó los resultados de dieciséis estaciones de ensayo que participaron en el programa MICAT (Mapa Iberoamericano de Corrosividad Atmosférica). Este documento presenta los resultados de las localidades rurales y marinas, sin la contaminación de dióxido de azufre. Los cuatro metales de referencia utilizados fueron el Zn, Cu, Al y acero expuesto por periodos de un año. La información presenta velocidades de corrosión, productos de corrosión, y la morfología de un ataque. (Morcillo,1999)
En un siguiente estudio realizado se evaluó la influencia de la variables climáticas y de contaminación sobre la velocidad de corrosión en el aluminio 6201-T81, en las zonas de Buenos Aires y Salaverry, los distritos de Santiago de Cao, el Porvenir y La Esperanza y la Zona sur de Trujillo en el año 1999, llegando a la conclusión que Salaverry, Buenos Aires y Santiago de Cao presenta una categoría de corrosividad de C5 (muy alta corrosividad), mientras que para La Esperanza, el Porvenir y Trujillo sur presentan una categoría de corrosividad de C4 (alta corrosividad), además que las variables que influyen en la velocidad de corrosión son la velocidad de depósito del ion cloruro y tiempo de humectación. (Cabrera y Sánchez, 1999)
En un estudio realizado se evaluó la corrosividad en el Puerto de Salaverry con probetas de Zn, Al, Cu y Fe, obteniendo una categoría de corrosividad de C5. (Carranza, 1999)
En un estudio realizado se evaluó la corrosividad en el balneario de Buenos Aires, Victor Larco, La Libertad obteniendo una categoría de corrosividad de C5, en base a factores climáticos y probetas de Zn, Al, Cu y Fe. (Cortijo, 1999).
Chao) es C5 (muy alta corrosividad), franja de 5-10 Km (Moche, El Milagro, Trujillo) presenta una categoría de corrosividad C4 (alta corrosividad) y en la franja de 10-15 Km. (El Porvenir, Florencia de Mora y Virú) (Otiniano y Díaz, 2000).
En un estudio realizado se examinó la corrosividad atmosférica de doce centros ubicados en todo el Golfo de México. Un año de exposiciones de acero, aluminio, cobre y zinc se utilizan junto con las mediciones de tiempo de humectación, la deposición de cloruros, y las concentraciones de dióxido de azufre. Se han evaluado las clases de corrosividad usando la norma ISO 9223 y se comparó con las obtenidas por mediciones de pérdida de masa. Ellos encontraron discrepancias sustanciales entre la clasificación de la corrosión sobre la base de parámetros ambientales y las pérdidas de masa de la muestra. También han proporcionado algunos análisis detallados de la capa de óxido que se encuentra en las probetas de acero al carbono. (Cook, 2000).
En el Perú los primeros intentos de evaluar la corrosividad atmosférica se dieron en la Universidad Nacional de Ingeniería (UNI) en 1978, evaluando el ataque corrosivo atmosférico en las instalaciones de Electro-Perú (Empresa Distribuidora de Energía Eléctrica). Así mismo el Instituto de Corrosión y Protección de la Pontificia Universidad Católica del Perú (ICP-PUCP), como participante del proyecto MICAT, evaluó la corrosividad atmosférica en el Perú. (Flores y Salas, 1996).
En un estudio realizado se determinó la velocidad de corrosión del Fe, Al, Cu y Zn; además midió el tiempo de humectación, velocidad de depósito de cloruros estableciendo como categoría de corrosividad para todos los metales evaluados de C5; el tiempo de humectación de τ5 (atmosfera
muy húmeda) y polución por cloruros de S2 (alta polución) en la atmósfera de Victor Larco
durante el tiempo de exposición de Junio del 2001 a Mayo del 2002. (Cabrera,2002)
En un estudio realizado se determinó velocidades de corrosión de Al, Cu, Zn y Fe en Huanchaco para probetas planas, se reportó para el Al: 1.74 µm/año (C4), Cu: 4.93 µ/año (C5), Zn: 2.70 µm/año (C4) y Fe: 35.56 µm/año (C3) y para probetas tipo espiral los resultados fueron: Al: 1.21 µm/año (C4) y Cu 18.18 µm/año (>C5). Para el TDH la categoría fue τ5 y para la velocidad de
deposición de Cl-, S
En un estudio realizado se evaluó la corrosividad atmosférica en Virú, La Esperanza y Paijan en función de factores meteorológicos y de contaminación en el año 2003, llegando a la conclusión que la categoría de corrosividad atmosférica para Virú, La Esperanza, y Paijan es de C3 – C4 (mediana – alta corrosividad) para el cobre, zinc y acero y para el aluminio es de C4 (alta corrosividad. (Castillo y Valle, 2003)
1.3ANTECEDENTES TEÓRICOS
1.3.1 CORROSIÓN ATMOSFÉRICA
La corrosión atmosférica es el deterioro que sufren los materiales metálicos cuando se encuentran en contacto con aire a temperatura ambiente. Debido a la gran cantidad de metal expuesto a la atmosfera, se estima que alrededor del 50% de las pérdidas económicas totales por corrosión se producen como consecuencia de fenómenos de corrosión atmosférica.
La agresividad de una atmósfera depende de una serie de factores que influyen en el proceso corrosivo. Los estudios indican que los factores más influyentes son: la humedad ambiental, la temperatura, los contaminantes, y otros como el viento y la radiación solar. (Kucera y Mattsson, 1987)
El mecanismo de corrosión es de naturaleza electroquímica. El electrolito es una capa de humedad que unas veces es extremadamente delgada e invisible y otras moja perceptiblemente el metal. La corrosión depende del tiempo en que esta capa permanece sobre la superficie metálica. (Genescá, 2002)
Los contaminantes gaseosos y sólidos potencian el efecto corrosivo de los factores meteorológicos. Así, el proceso de corrosión depende fundamentalmente de la humedad relativa del aire y de los contaminantes presentes en el mismo.
En ausencia de película húmeda, situación que solo es posible en ausencia de lluvias y para humedades relativas inferiores al 20 – 30%, puede producirse deterioro a través de un mecanismo de oxidación directa.
El electrolito está constituido entonces por una película muy delgada, en muchos casos no perceptible a simple vista, de agua que puede contener agentes contaminantes que aceleran el proceso de corrosión. Estas dos variables, el tiempo durante el cual aparece una película húmeda sobre el metal conocido como “tiempo de humectación” y la presencia o no de determinados contaminantes como el CO2, los Cl- o compuestos oxidados de nitrógeno, son los aspectos que
influyen de forma más determinante en la magnitud del proceso de corrosión atmosférica (Ver Fig.1.1). (Otero, 1997)
Fig. 1.1 Contaminantes atmosféricos más importantes en las atmosferas urbanas e industriales.
(Otero, 1997)
Las partículas de polvos en suspensión en la atmósfera, en conjunción con la humedad, forman celdas de corrosión por aireación diferencial en la superficie. A través de la absorción de SO2
también pueden acelerar la corrosión en la zona de contacto con el metal.
1.3.2 TIPOS DE CORROSIÓN ATMOSFÉRICA
La corrosión atmosférica puede afectar al metal de varias formas, dependiendo de su naturaleza y de las condiciones ambientales prevalentes. Se le clasifica como sigue: (Nace, 1984)
a. Corrosión Uniforme (o casi uniforme): En este tipo de corrosión todas las áreas del metal se corroen a la misma (o similar) velocidad, perdiéndose material homogéneamente.
b. Corrosión por Picadura: Es aquella corrosión en que ciertas áreas de la superficie del metal se corroen a elevadas velocidades resultando hoyos en el metal y pueden causar su perforación, mientras que en otras zonas puede permanecer casi inalterado.
La corrosión por picadura es generalmente más dañina que la corrosión uniforme porque conduce a la perforación del metal en un período de tiempo muy corto. El ataque por picadura se evalúa teniendo en cuenta tres aspectos:
- El Número de picaduras por unidad de área. - El diámetro de la picadura, y
- La profundidad de la picadura.
Este tipo de corrosión ocurre en la mayoría de los metales.
1.3.3 TIPOS DE ATMÓSFERAS CORROSIVAS
La severidad de la corrosión atmosférica tiende a variar significativamente entre las diferentes localidades, e históricamente, se ha clasificado la atmósfera como rural, urbana, industrial, marino o combinaciones de estos, descritos a continuación: (Kucera y Mattsson, 1997)
Rural: Este tipo de atmósfera es generalmente la menos corrosiva y normalmente no contiene contaminantes químicos, pero contiene partículas orgánicas e inorgánicas. Sus principales constituyentes corrosivos son la humedad y los elementos gaseosos como el O2, y CO2. El
depósito de SO2, es menor que 10 mg/m2. d y la velocidad de depósito de Cl- es menor que 5
mg/m2. d.
Urbana: Este tipo de atmósfera es similar a la rural en lo que se refiere a la poca actividad industrial. Tiene niveles relativamente altos de SO2 y ceniza que provienen de las emisiones de
combustibles domésticos y vehículos motorizados. La velocidad de depósito de SO2 está en el
rango de 10 a 80 mg/m2. d.
Industrial: Estas atmósferas son asociadas con instalaciones de procesamientos industriales y pueden contener concentraciones de dióxido de azufre, cloruros, fosfatos y nitratos. La velocidad de depósito de SO2 puede llegar hasta 200 mg/m2. d.
Marina: Contiene una alta concentración de cloruros que provienen de la sal del mar llevada por el viento y que se depositará en las superficies expuestas. La cantidad de contaminación por sal disminuye rápidamente con la distancia al océano y es afectada por las corrientes de aire. El promedio anual de velocidad de depósito, típicamente está en el rango de 5 a 500 mg/m2.d, pero puede llegar hasta 1500 mg/m2.d, cerca de la playa o sobre el mar.
Las velocidades de corrosión de los 4 materiales metálicos más utilizados en la industria eléctrica, se muestran en la Tabla 1.1
Tabla N° 1.1. Velocidades de corrosión aproximadas para el Fe, Zn, Al y Cu. (Chávez, 2003)
Tipo de Atmósfera
Velocidad de Corrosión (µm/año)
Fe Al Cu Zn
Rural 5 – 10 < 0.1 < 1 0.5 – 1
Marina 10 – 30 0.4 – 0.6 1 – 2 0.5 – 2
1.3.4 MECANISMO DE LA CORROSIÓN ATMOSFÉRICA Y PRINCIPALES VARIABLES:
El mecanismo de corrosión es de naturaleza electroquímica. El electrolito es una capa de humedad sobre la superficie del metal cuyo espesor varía desde capas muy delgadas (invisibles) hasta capas que mojan perceptiblemente el metal. La duración del proceso de corrosión depende sobre todo del tiempo durante el cual la capa de humedad permanece sobre la superficie metálica. (Genescá, 2002)
Los procesos de corrosión atmosférica pueden ser considerados despreciables sobre superficies metálicas limpias y secas, dada la lentitud con la que se producen. Sin embargo, si la misma superficie metálica estuviera humedecida la velocidad de corrosión aumenta considerablemente. Como ya se ha indicado anteriormente, el tipo de corrosión con la que nos vamos a encontrar en corrosión atmosférica es la corrosión electroquímica. (Morcillo y Feliu, 1993)
Para que este tipo de corrosión pueda darse es necesaria la presencia de un electrolito que sea el soporte de la reacción. Este electrolito está constituido por una extremadamente delgada película de humedad o una película acuosa, cuando el metal aparece perceptiblemente mojado. Bajo esta capa de electrolito tiene lugar una reacción de oxidación/reducción, es decir, la oxidación del metal (proceso anódico) y la reducción del oxígeno (proceso catódico) (Morcillo y Feliu, 1993). Los procesos de oxidación de los átomos metálicos ocurren en puntos de la superficie metálica distintos de los de reducción del oxidante. Ello implica la corriente de electrones por el metal, que va desde las zonas anódicas donde ocurre la oxidación, hacia las catódicas donde tienen lugar la reducción del oxidante, y se cierra el circuito de corriente mediante el correspondiente movimiento iónico en el electrolito en contacto con el metal. Ello da lugar a la formación de micropilas sobre la superficie metálica.
Estos dos procesos se pueden esquematizar de la siguiente forma:
Proceso anódico: Me → Men+ + ne− Procesos catódicos:
Proceso catódico normal: 1/2O2 + H2O + 2e− → 2OH −
Por lo tanto, la velocidad de corrosión va a variar sustancialmente dependiendo de que la superficie metálica esté seca o mojada. Una de las principales preocupaciones de los investigadores de este campo es la determinación del periodo en el cual la superficie metálica permanece mojada, ya que el proceso de corrosión atmosférica es suma de los procesos parciales de corrosión que tienen lugar cada vez que se forma la capa de electrolito sobre el metal. (Palma, 1995)
1.3.5 VARIABLES PRÁCTICAS IMPORTANTES EN LA CORROSIÓN ATMOSFÉRICA
Tiempo de humectación. El tiempo de humectación (presencia del electrolito en la superficie de corrosión) es un parámetro clave, directamente determinante en la duración de los procesos de corrosión electroquímicos Estas variables es compleja, ya que se deben considerar todos los medios de formación y evaporación de una solución electrolítica sobre una superficie de metal. (ISO 9226, 1992)
Dióxido de Azufre. Es un producto de la combustión de combustibles fósiles que contienen azufre, que juega un rol importante en la corrosión atmosférica en atmósferas urbanas e industriales. El dióxido de azufre es adsorbido en las superficies metales, tiene una alta solubilidad en el agua, y tiende a forma ácido sulfúrico en presencia de películas de humedad. Los iones de sulfatos son formados en la capa superficial de humedad por oxidación de dióxido de azufre de acuerdo a la ecuación. (ISO 9226,1992)
𝑆𝑂2+ 𝑂2+ 2𝑒− → 𝑆𝑂 42−
Cloruros. La salinidad atmosférica incrementa significativamente la velocidad de corrosión atmosférica. Además de la formación de un electrolito superficial por las sales higroscópicas tales como el NaCl y el MgCl2, también es probable la participación directa de los iones
cloruros en las reacciones de corrosión electroquímica. (ISO 9226,1992)
tienden a ser menos solubles que para el caso del fierro, deberían estar menos propensos al daño de corrosión inducido por cloruros, y esto se refleja con la experiencia práctica. (ISO 9226,1992)
Otros contaminantes atmosféricos. El sulfuro de hidrógeno, el cloruro de hidrógeno y el cloro presente en la atmósfera puede intensificar el daño por corrosión atmosférica, pero ellos representan casos especiales de corrosión atmosférica que son relacionados invariablemente a las emisiones industriales en microclimas específicos. El sulfuro de hidrógeno es conocido como extremamente corrosivo para la mayoría de los metales y aleaciones, y los efectos corrosivos del cloro gaseoso y cloruro de hidrógeno en presencia de humedad tienden a ser más fuertes que los aniones de “sales de cloruros” debido al carácter acídico de las primeras especies. (ISO 9226,1992)
Los componentes del nitrógeno, en la forma de NOx, también tienden a acelerar el ataque
atmosférico. La emisión de NOx, en gran parte de los procesos de combustión, ha aumentado
en relación a los niveles de SO2. Sin embargo, las velocidades de deposición de humedad de
estos componentes de nitrógeno han sido significativamente más bajos que aquellos para el SO2. (ISO 9226,1992). Hasta hace poco, los efectos del ozno (O3) habían sido en gran medida
descuidados en las investigaciones de corrosión atmosférica. Se ha reportado que la presencia de ozono en la atmósfera podría conducir a incrementar a la velocidad de deposición de dióxido de azufre. Si bien efecto acelerador del ozono en la corrosión del zinc parece ser limitado, tanto como el aluminio y el cobre sufren el ataque significativamente en su presencia. (ISO 9226,1992)
de humectación es reducido de esta manera, la velocidad de corrosión tiende a disminuir. (ISO 9226,1992)
Para espacios de aire cerrado, se ha señalado que un incremento en la humedad relativa asociada con un descenso en la temperatura tiene un efecto primordial en la velocidad de corrosión. Esto implica que el aire acondicionado simple que disminuye la temperatura sin deshumidificación adicional acelerará el daño de la corrosión atmosférica. A temperaturas bajo el punto de congelación, donde la capa de electrolito solidifica, la actividad de la corrosión electroquímica caerá hasta niveles despreciables. Las velocidades de corrosión muy bajas reportaron en climas extremadamente fríos serconsistentes con este efecto. (ISO 9226,1992)
1.3.6 AGENTES DE POLUCIÓN ATMOSFÉRICA MÁS INFLUYENTES EN LA
CORROSIÓN DE LOS METALES
Polución por Cloruros (Cl-): Los cloruros son arrastrados del mar en forma de sales (NaCl) por
los fuertes vientos y por evaporación del agua salada, este vapor pasa a formar las nubes y cuando llega a zonas frías precipita y cae sobre la superficie de los metales iniciándose así un daño corrosivo más severo e intenso, debido a la formación de productos de corrosión solubles. (Toloza, 2010.)
Polución por Dióxido de Azufre (SO2): El dióxido de azufre proviene de la quema de
combustibles fósiles o de carbón mineral (briquetas), es decir de los gases y humos que emiten el flujo vehicular, las fábricas, cocinas domésticas, etc. Este gas al entrar en contacto con el aire se oxida y con la humedad forma vapor de ácido sulfúrico, este precipita en forma de lluvia ácida y al depositarse sobre los metales aceleran el deterioro o destrucción de estos metales. (Toloza, 2010.)
1.3.7 CORROSIÓN ATMOSFÉRICA DEL COBRE
Dadas sus propiedades, el cobre se aproxima a los metales nobles, especialmente por su excelente resistencia a los agentes corrosivos naturales.
El cobre y la mayoría de sus aleaciones se caracterizan por su resistencia mecánica moderada, unida a una elevada ductilidad, y esta circunstancia hace que sean especialmente adecuados para tratamientos mecánicos en frío destinados a la fabricación de chapas, bandas y alambres. (González, 2009)
Desde el descubrimiento de la electricidad y el consecuente desarrollo industrial de este sector, el cobre adquiere su principal uso hasta nuestros días que es el conductor. Dada su buena resistencia a la corrosión es empleado en obras artísticas (esculturas, monumentos, etc.), con construcciones ornamentales y en los tejados de edificios, principalmente en el norte de Europa. (González, 2009)
Al igual que el resto de los metales, el cobre puede sufrir diferentes tipos de ataque corrosivo, dependiendo del medio, del tipo de uso, etc. Probetas de cobre expuestas a la atmósfera por más de 20 años, han demostrado que el cobre es un metal que resiste muy bien el ataque corrosivo propio de atmósferas típicas de ambientes rurales, urbanos, marinas, industriales y las diferentes combinaciones que establezcamos entre ellas. Se ha determinado que en ambientes donde podamos tener NH3, el cobre sufre un ataque corrosivo considerable. Teniendo en cuenta que este
compuesto sólo puede estar en la atmósfera en zonas industriales donde forme parte de la actividad de producción, el cobre permanecerá muy estable en el resto de los medios. (González, 2009)
En la actualidad, el cobre es un material básico en la electromecánica, electrónica y comunicaciones de industrias (como los contactos eléctricos, terminales, circuitos impresos, etc.), y estas nuevas aplicaciones recientemente han llevado a estudios en profundidad de la interacción del cobre con las atmósferas. (Syed, 2006)
El cobre se degrada lentamente, combinándose nuevamente con elementos del medio ambiente para volver a su estado natural. El resultado con el tiempo será una capa de sales de cobre sobre la superficie del metal, llamada pátina. (Syed, 2006)
La secuencia general de la corrosión atmosférica del cobre es bien conocida. Inicialmente, el oxígeno y el agua reaccionan con una superficie de cobre fresco formando el primer producto de corrosión en forma de una delgada capa e invisible del óxido de Cu2O (cuprita). Esta es seguida
luego por la reacción con los contaminantes presentes en forma de gases (por ejemplo, SO2, NO2,
O3, Cl2, HCl, y H2S) como componentes iónicos de partículas de aerosol o como iones en la
precipitación. (Syed, 2006)
Finalmente una pátina de varios compuestos diferentes se forma encima de la capa de cuprita que se formó inicialmente.
Compuestos importantes de cobre encontrados como componentes pátina son: atacamita Cu2Cl(OH)3, posnjakite, Cu4SO4(OH)6.H2O, y brocantita Cu4SO4(OH)6, en las zonas rurales y
urbanas. En las zonas urbanas también se encuentran Antlerita Cu2SO4(OH)4, y malaquita
Cu2CO3(OH)2.(Syed, 2006)
Los compuestos más comunes que se forman son los siguientes: Óxidos
CuO (oxido de cobre II) Cu2O (cuprita: rojo)
Hidróxidos
Cu(OH)2(hidróxido cuproso)
Cloruros
CuCl (cloruro cuproso) CuCl2 (cloruro cúprico)
CuCl2.2H2O (cloruro cúprico dihidratado)
CuCl2.Cu(OH)2- (pátina)
CuCl2.3Cu(OH)2 (pátina)
Sulfatos
Cu2SO4 (sulfato cuproso)
CuSO4 (sulfato cúprico)
CuSO4.5H2O (sulfato cúprico pentahidratado)
CuSO4.3Cu(OH)2 (sulfato cúprico trihidratado)
Cu4(SO4)(OH)6 (brocantita: verde)
Cu4(SO4)(OH)6.2H2O (Posjankita: azul claro)
Cu3(SO4)(OH)4 (Antlerita: verde)
Sulfuros
Cu2S (calcocita: oscuro)
CuS (covelita: oscuro)
Carbonatos Cu2CO3
Cu(CO3)2.Cu(OH)2 (Azurita)
CuCO3.Cu(OH)2 (hidroxicarbonato de cobre II)
2CuCO3.Cu(OH)2 (hidroxidicarbonato de cobre II)
1.3.8 CORROSIÓN ATMOSFÉRICA DEL ALUMINIO
El aluminio y sus aleaciones tienen multitud de aplicaciones en ingeniería ya que presenta un balance muy favorable de prestaciones: ligereza y resistencia mecánica, elevada resistencia a la corrosión, conductividad térmica y eléctrica, reflectividad a la luz y al calor, y cualidades higiénicas y no tóxicas. La variedad de formas en las que está disponible también acrecienta su gran utilidad. (Palma, 1995)
Como puede observarse en el diagrama potencial-pH (Fig. 1.2), el aluminio es estable termodinámicamente sólo a potenciales bajos.
El potencial de corrosión del aluminio, medido frente a un electrodo de hidrógeno a 250°C, tiene un valor de -1,66v; este valor indica que el aluminio posee una gran cantidad de energía libre que le permitiría experimentar una reacción de corrosión siempre que las condiciones fuesen favorables. Así pues, se esperaría que el aluminio fuera un metal activo que se corroyera rápidamente. (Palma, 1995)
Sin embargo, en la práctica, el aluminio tiene una alta resistencia a la corrosión en muchos ambientes debido a la presencia de una película superficial protectora que se forma rápidamente cuando una superficie limpia se expone al aire o al agua. Esta película lo convierte en un metal pasivado, al formarse una pantalla o barrera entre el metal y el medio, aislándolo del medio corrosivo. Si la película protectora no pudiera formarse, la velocidad de corrosión sería muy elevada.
Fig. 1.2 Diagrama potencial pH para el aluminio en agua a 25°C. [Al]=0.1 M.
Por lo tanto, la química que determina la solubilidad de la película de óxido, determina a su vez los ambientes en los que el aluminio se corroe uniforme y rápidamente, y aquellos en los que es resistente.
En algunas atmósferas en las que la película superficial es insoluble, puede presentarse corrosión localizada en forma de picaduras. En estos lugares tiene lugar la aparición de pilas electroquímicas de acción local como consecuencia de la existencia de diferencias metalúrgicas en la superficie. Así pues, la corrosión del aluminio está controlada, en primer lugar, por la química del medio (corrosión uniforme) y, en segundo lugar, por la metalurgia superficial del metal (corrosión localizada).
1.3.8.1 La Película Superficial pasivante del Aluminio
Cuando una superficie de aluminio recién obtenida es expuesta al aire, se oxida rápidamente para dar lugar a una película protectora compacta y adherente de óxido de aluminio, que es resistente a la oxidación. El espesor de la película de óxido es muy pequeño, alrededor de 25Å. Se cree que la película esencialmente está compuesta por óxido de aluminio amorfo (Al2O3). (Palma, 1995)
Se ha medido el crecimiento de la película de óxido para distintas aleaciones de aluminio expuestas en la atmósfera a varias humedades relativas a temperatura ambiente. Después de 5 años con un 52% de humedad relativa, se encontró que el espesor de la película en varias aleaciones era alrededor de 70 Å. A un 100% de humedad relativa el espesor era 30 veces mayor.
El grado de crecimiento de la película de óxido superficial en el aire aumenta con la temperatura. Por debajo de 200°C, se ha encontrado que crece hasta un espesor de algunos cientos de Å. Por encima de 300 hasta 400°C aumenta la velocidad de crecimiento. En el intervalo 400 – 600°C el espesor límite es alrededor de 400Å. Por encima de unos 400°C se produce cristalización de la película (como ɣ-Al2O3). (Palma, 1995)
La formación de la película de alúmina sobre el aluminio se efectúa por la migración de los iones Al3+ desde el metal hacia la película, para reaccionar con el oxígeno del aire o del medio
- La capa barrera en contacto directo con el metal. Es muy compacta y su espesor, que no supera los 20-25 Å, depende de la temperatura a la que se ha formado. Aparece como resultado de la reacción directa del aluminio con el oxígeno.
- La capa más exterior, que se forma por reacción de la anterior con el medio ambiente, particularmente con la humedad del aire. Está constituida por bohemita o bayerita, cuyo espesor, estructura y propiedades dependen de las condiciones en las que se ha desarrollado: temperatura de contacto, naturaleza, temperatura del medio.
Fig. 1.3 Película de óxido natural sobre el aluminio. (Palma, 1995)
Hay varias formas de óxido natural de aluminio: Al2O3.H2O (bohemita) y Al2O3.3H2O (bayerita).
En medio acuoso, hasta 70°C, se forma la bayerita, y de 70 a 300°C, la bohemita.
La alúmina cambia de estructura a 400°C. Por debajo de esta temperatura, es alúmina amorfa, y a temperaturas superiores, alúmina δ, en la que la velocidad de difusión de los iones Al3+ es mucho más lenta. Por esta razón, la elevación de la temperatura no afecta al espesor final de la película de óxido. (Palma, 1995)
ALUMINA PELICULA EXTERIOR
ALUMINA PELICULA INTERIOR
Aunque los elementos de adición de las aleaciones y las impurezas del metal participen en la composición y en la estructura de la película de óxido, no se encuentran, sin embargo, en las mismas proporciones que en el metal. Ciertos elementos de aleación, como el magnesio, refuerzan las propiedades protectoras de la capa de óxido que, en las aleaciones que contienen un porcentaje de magnesio igual o superior al 3%, está formada por una mezcla de alúmina y magnesita. (Palma, 1995)
Otros elementos, tales como el cobre, el hierro, etc., al aumentar la conductividad electrónica de la película, facilitan las reacciones con el medio ambiente y disminuyen, por ello, la resistencia del metal a la corrosión.
1.3.8.2Corrosión del Aluminio en Ambientes Naturales
La reacción de corrosión usual es la combinación del metal con el agua para formar hidróxido de aluminio e hidrógeno:
2Al + 6H2O ←⃗⃗⃗ 2Al(OH)3 + 3H2
El hidróxido de aluminio tiene una solubilidad muy baja en agua, precipitando inmediatamente. Al formarse, es gelatinoso, pero con el tiempo se vuelve arenoso debido a su transformación en bayerita, Al2O3.3H2O. Conviene resaltar que la composición del hidróxido y de la bayerita es la
misma, lo que significa que el proceso de envejecimiento supone un cambio físico más que un cambio químico. (Palma, 1995)
La forma más común de corrosión del aluminio en la atmósfera es la corrosión localizada por picaduras, cuyos diámetros y profundidades varían en función de factores propios del metal, del medio y de las condiciones de utilización.
La corrosión por picaduras que sufre el Al es un tipo daño cuya severidad depende de la distribución y profundidad de tales picaduras. (Moreno, 2002)
Una vez formada la picadura en el fondo de cada una tiene lugar la reacción de oxidación electroquímica:
-y en los bordes de la picadura, se produce la reacción de reducción electroquímica:
½ O2 + H2O + 2 e-→ 2OH
-Los iones Al3+ se combinan con los iones OH- para formar hidróxido de aluminio, Al(OH)3. El
hidróxido de aluminio se precipita como una masa blanca gelatinosa que recubre la picadura. Los iones Al3+ también pueden combinarse con los iones cloruro, Cl- , según:
Al3+ + 3Cl-→ AlCl3
El cloruro de aluminio formado, AlCl3, en presencia de agua y poco o nada de oxígeno puede dar
lugar a la formación de ácido clorhídrico, HCl, mediante la reacción:
AlCl3 + 3H2O → Al (OH)3 + 3HCl
El ácido clorhídrico formado se disocia en el medio acuoso, dando:
HCl + H2O → H+ + Cl- + H2O
Este nuevo medio tiene un pH ácido; la siguiente reacción reducción electroquímica es: 2H+ + 2e- → H2
Y su correspondiente reacción de oxidación electroquímica: Al → Al3+ + 3e-
Este catión de aluminio, Al3+ nuevamente forma el cloruro respectivo el que se vuelve a hidrolizar y el proceso sigue generando la picadura. (Morcillo, 1999)
En una atmósfera contaminada con azufre y cloruros, estas especies reaccionan con el aluminio para formar diversos tipos de compuestos que aceleran el proceso corrosivo por picaduras. (Morcillo, 1999)
El aluminio es sensible a la corrosión por picaduras en medios cuyos pH están próximos a la neutralidad (aguas superficiales, agua de mar, humedad del aire). Las picaduras están siempre recubiertas de alúmina blanca gelatinosa Al(OH)3, que es muy voluminosa, ocupando un
La corrosión del aluminio y sus aleaciones por picaduras se desarrolla en lugares en los que la película de óxido natural presenta ciertos defectos: adelgazamientos, roturas, vacíos, concentración muy localizada de impurezas o de elementos de adición. Estas zonas son anódicas con relación a la superficie que las rodea. En un electrólito conductor, agua, humedad, etc., las pilas que se forman funcionan según el esquema que se indica en la Fig. 1.4.
El aluminio presenta una buena resistencia en atmósferas contaminadas por azufre, en las que la mayoría de los demás materiales son especialmente sensibles a la corrosión.
Fig. 1.4 Corrosión del aluminio por picaduras. (Palma, 1995)
En zonas protegidas de la lluvia, el polvo y otros contaminantes pueden quedar retenidos y acelerar el proceso corrosivo, impidiendo la formación del recubrimiento de óxido protector. Es conveniente que estas zonas sean lavadas con regularidad para eliminar estos posibles productos de corrosión. (Palma, 1995)
A pesar de que el recubrimiento de óxido es más permeable a los iones en presencia de cloruros, los materiales de aluminio también resultan de gran utilidad en atmósferas marinas. (Palma, 1995)
Los principales productos de la corrosión atmosférica del Al son:
Óxidos
α- Al2O3 (alúmina alfa)
γ- Al2O3 (alúmina gamma)
Al2O3.3H2O (alúmina trihidratada)
Hidróxidos AlO(OH)
Al(OH)3 (hidróxido de aluminio)
Cloruros
AlCl3(cloruro de aluminio)
AlCl3.6H2O (cloruro hexahidratado de aluminio)
Sulfatos
Al2(SO4)3 (sulfato de aluminio)
Al2(SO4)3.18H2O (sulfato dieciochoavo hidratado de aluminio)
Sulfuros
1.3.9 VELOCIDAD DE CORROSIÓN
Las técnicas gravimétricas consisten en obtener una medida directa de la velocidad de corrosión pesando al inicio y al final de la exposición la muestra metálica (probeta) una vez que se han eliminado los productos de corrosión. Por diferencia de masa, se determina la velocidad promedio de pérdida de masa en el periodo de tiempo considerado. (Mariaca, 1999)
Una vez determinada, la velocidad de corrosión, V, se obtiene según la norma ISO 9226, en µm/año para el Cu y para el Al, en g/m2. año; con las siguientes fórmulas:
A) Para las probetas planas de Cu:
V
corr=
ρ.A.t∆m (1)Dónde: Vcorr es la velocidad de corrosión (µm/año); Δm, pérdida de masa (g), ρ, es la
densidad del material (g/cm3), A, área total de exposición (m2) y t, tiempo de exposición
(años).
B) Para las probetas espirales de Cu:
V
corr=
(0.25).∆m.dmi.t (2)
Dónde: Vcorr es la velocidad de corrosión (µm/año); 0.25, factor de corrección; Δm, pérdida
de masa (mg), d, diámetro del alambre (mm), mi, masa inicial (g) y t, tiempo de exposición
(años). (Fernández, 2007)
C) Para placas planas y espirales de Al:
V
corr=
∆mA.t (3)Donde: Vcorr es la velocidad de corrosión (g/m2. año); Δm, pérdida de masa (g); A, área
Las densidades que permiten hacer los cálculos de la velocidad de corrosión de los metales evaluados son:
Cobre: 8.96 g/cm3; Alumínio: 2.75 g/cm3.
Esta técnica de pérdida de masa es la más ampliamente utilizada en los estudios de corrosión atmosférica, dado que es relativamente simple y precisa. Se debe asegurar que los productos de corrosión se puedan retirar de la muestra sin gran ataque del metal base. Para ello, se emplean distintas soluciones específicas para cada metal y los productos de corrosión se eliminan mediante ciclos sucesivos de limpieza en estas soluciones. Este tratamiento de ciclos se repite hasta la completa eliminación de los productos de corrosión. El método de inmersiones sucesivas, aunque lento, además de garantizar la eliminación total de los productos de corrosión, permite diferenciar la pérdida de masa del metal debida a la corrosión atmosférica de la debida al ataque por la solución empleada en la limpieza. (Mariaca, 1999)
1.3.10 CATEGORÍAS DE CORROSIVIDAD ATMOSFÉRICA
A fines de la década de 1980 e inicios de la década de 1990, con el propósito de estandarizar los ensayos de corrosión atmosférica en todo el mundo, el Comité Técnico, TC 156 WG4, de la organización, “International Standard Organization (ISO)” elaboró 4 estándares internacionales para la determinación de la corrosividad de las atmósferas y para su clasificación. Estas son las normas ISO 9223, 9224, 9225 y 9226.
